關於 PoE 以及 Raspberry Pi 的 PoE－傑克! 真是太神奇了!

PoE 標準

目前主要的 PoE 標準有 3:

IEEE 802.3af-2003 函蓋 Type 1 設備.
IEEE 802.3at-2009 函蓋 Type 1 及 Type 2 設備.
IEEE 802.3bt-2018 函蓋 Type 1 至 Type 4 設備.

最新的標準 IEEE 802.3bt 向下相容 IEEE 802.3af 和 IEEE 802.3at 標準.

PoE 專有名詞

PSE: Power Sourcing Equipment 的縮寫. 中文翻譯為 "電力供應設備" 或 "供電設備".
PD: Powered Device 的縮寫. 中文翻譯為 "受電設備" 或 "受電裝置".
endspan 模式為 PSE (一般是指 Ethernet PoE 交換器) 的電力直接連接到 PD.
midspan 模式為未支援標準 PoE 的設備 (一般的 Ethernet 交換器/一般的受電裝置) 之間的介接方法.
- 非標準 PSE 外加 Power Injector (電力注入設備) 轉變為符合標準的 PSE.
- 接入非標準 PD 之前則加入 Power Spliter (電力分離設備) 分離出符合用電設備需求的電力.
Mode A: 使用 RJ-45 的 1-2 Pin, 3-6 Pin 傳輸電力. 即與 10BASE-T, 100BASE-TX 的資料傳輸共用傳輸線.
Mode B: 使用 RJ-45 的 4-5 Pin, 7-8 Pin 傳輸電力.

PSE/PD Class
屬性\標準		802.3bt
屬性\標準		Type1			Type2	Type3		Type4
Power Class		Class 1	Class 2	Class 3	Class 4	Class 5	Class 6	Class 7	Class 8
供電端 PSE		4W	7W	15.4W	30W	45W	60W	75W	90W
電力線對數	Type 1&2 PSE	只用 2 對絞線				N.A.
電力線對數	Type 3&4 PSE	2 對絞線或 4 對絞線				必需 4 對絞線全用
受電端 PD		3.84W	6.49W	12.95W	25.5W	40W	51W	62W	71.3W

PoE 各版本的屬性比較
屬性\標準	IEEE 802.3bt
屬性\標準	802.3af, 802.3at Type 1	802.3at Type 2	802.3bt Type 3	802.3bt Type 4
別稱	PoE	PoE+	PoE++	4PPoE
受電端	12.95W	25.5W	51W	71.3W
供電端	15.4W	30W	60W	90W^(註一)
受電端電壓	37.0–57.0 V	42.5–57.0 V	42.5–57.0 V	41.1–57.0 V
供電端電壓	44.0–57.0 V	50.0–57.0 V	50.0–57.0 V	52.0–57.0 V
最大電流	350 mA	600 mA	600 mA 每對絞線	960 mA 每對絞線
最大傳輸線阻抗	20 Ω (cat.3 傳輸線)	12.5 Ω (cat.５傳輸線)	12.5 Ω	12.5 Ω
支援傳輸線	Cat. 3, Cat. 5	Cat. 5	Cat. 5	Cat. 5
支援模式	Mode A (endspan), Mode B (midspan)	Mode A, Mode B	Mode A, Mode B, 4-pair Mode	4-pair Mode 強制

PoE 接口引腳^{(註二, 註三)}
交換器接口引腳	TIA 568A 色碼	TIA 568B 色碼	10/100, 模式 B, 獨立電源引腳		10/100, 模式 A, 資料+電源		1000, 模式 B, 雙向資料+電源		1000, 模式 A, 雙向資料+電源		1000, 模式 A+B (4PPoE), 雙向資料+電源
Pin 1	白綠	白橙	Rx+		Rx+	DC+	TxRx A+		TxRx A+	DC+	TxRx A+	DC+
Pin 2	綠	橙	Rx−		Rx−	DC+	TxRx A−		TxRx A−	DC+	TxRx A−	DC+
Pin 3	白橙	白綠	Tx+		Tx+	DC−	TxRx B+		TxRx B+	DC−	TxRx B+	DC−
Pin 4	藍			DC+	未使用		TxRx C+	DC+	TxRx C+		TxRx C+	DC+
Pin 5	白藍			DC+	未使用		TxRx C−	DC+	TxRx C−		TxRx C−	DC+
Pin 6	橙	綠	Tx−		Tx−	DC−	TxRx B−		TxRx B−	DC−	TxRx B−	DC−
Pin 7	白棕			DC−	未使用		TxRx D+	DC−	TxRx D+		TxRx D+	DC−
Pin 8	棕			DC−	未使用		TxRx D−	DC−	TxRx D−		TxRx D−	DC−

註一: 此一數據有諸多版本: 英文版維基為 90W; 中文版維基為 99.9W (<100W); 也有文件用的是由電流量推算得出的 96W.

註二: IEEE PoE 標準允許 PSE 自行定義電力接腳的極性. Mode A 使用的 1-2 Pin, 3-6 Pin 為一組, Mode B 使用的 4-5 Pin, 7-8 Pin 為另一組. 因此上表標註的 DC+/− 極性並非對應到電源真正的正極/負極. 所以 PD 端必需使用橋式整流 (使用二極體或 actively controlled 場效電晶體) 將上列標註的 DC+/− 極轉為電源真正的正極/負極, 如電路圖 (圖 7) 所示. 極性組合如下圖所示:

另外你注意到了嗎, 圖 7 中 PSE 端提供的是電信類設備慣用的負電壓直流電?

PSE 電源極性 (來源: Ethernet Alliance)

註三: 關於上表中的交換器接口引腳編號及纜線色碼:

MDI 是 Medium Dependent Interface 的縮寫, MDI-X 則是 Medium Dependent Interface Crossover 的縮寫. 規範的是 Ethernet 10 Base-T 及 100 Base-Tx 實體層 RJ45 接口引腳的排列順序.

在沒有 Auto MDI 的年代, NIC (Network Interface Card) 的接口引腳使用的是 MDI 規範 (1-2 Pin 為 Tx+/Tx-, 3-6 Pin 是 Rx+/Rx-), 一般 Ethernet Switch/Hub 的接口引腳則是使用 MDI-X 規範 (1-2 Pin 為 Rx+/Rx-, 3-6 Pin 是 Tx+/Tx-). 部份 Ethernet Switch/Hub 還會提供一個 Uplink 接口, 此時它用的則是 MDI 規範. Uplink 接口大部份是和某一個接口共用實體接線, 少部份是額外的接口.

MDI 接口和 MDI-X 接口之間使用直通纜線即可, 而 MDI 接口對接 MDI 接口 (NIC 與 NIC 之間) 或者 MDI-X 接口對接 MDI-X 接口 (Switch/Hub 與 Switch/Hub 之間) 則是使用 Crossover 纜線. 常用的直通纜線二端用的都是 TIA-568B 的色碼 (習慣上不用二端都 TIA-568A 色碼的纜線). Crossover 纜線則是 TIA-568A, TIA-568B 各一端.

auto MDI 的發明 (通常 Switch/Hub, Router 等設備會具備 auto MDI, NIC 則不會有 auto MDI) 使得我們只需準備直通纜線即可.

Gigabit 及更快的 Ethernet 由於同時使用了 4 對傳輸線, 故不再需要 Corssover 纜線. 不過用了也無妨, 一般 Ethernet Switch 是可以自動辨識的.

用於10BASE-T的直通式 MDI 到 MDI-X 連接
(來源: 維基百科)

使用乙太網路交叉電纜完成的 MDI 到 MDI 連接
(來源: 維基百科)

Raspberry Pi 的 PoE

Raspberry Pi 自 Pi 3B+ 開始支援 PoE, Pi 3B+ 及 Pi 4B 在 40 Pin GPIO 接腳 (J8) 的右下側有一組 4 Pin 的接腳 (J14). Pi 5 的 PoE 接腳下移到 Ethernet RJ45 母座後面, 螺絲孔的上方. 如下 3 張圖片:

Pi 3B+
(來源: 維基百科)

Pi 4B
(來源: 維基百科)

Pi 5
(來源: 維基百科)

PoE 的 PD 裝置取電電路通常需要經由 PoE Pulse Transformer (多了中心抽頭) 而不是一般傳統 Ethernet Transformer, 如下圖的右側:

802.3bt PSE/PD 電源/資料混合/分離電路 (來源: Analog Devices 公司 Blog)

以下是 Raspberry Pi 官方公布的簡化版電路圖:

raspberry-pi-3-b-plus-reduced-schematics.pdf
raspberry-pi-4-reduced-schematics.pdf
Raspberry Pi 5 的簡化版電路圖目前還未公開.

Pi 4B 官方公布的 PoE 部份簡化版電路圖
(來源: Raspberry 官方網站)

經查閱上述電路圖, 我截取了 Pi 4B 的 Ethernet 及 PoE 部份的電路圖 (如上圖), 其中 J10 就是 Ethernet 的 RJ45 接頭母座. 由此我們知道 PD 設備取電電路中所需的 PoE Pulse Transformer 已經包含在 Raspberry Pi 所使用的零件內了. 同時由 PoE 電路圖得知 J14 的:

Pin2: TR0_TAP 由 RJ-45 Pin1, Pin2 產出.
Pin1: TR1_TAP 由 RJ-45 Pin3, Pin6 產出.
Pin4: TR2_TAP 由 RJ-45 Pin4, Pin5 產出.
Pin3: TR3_TAP 由 RJ-45 Pin7, Pin8 產出.

Raspberry Pi 4B J14 正確的接腳編號 (RJ45 纜線色碼改為 TIA-568B)
(Raspberry Pi 4B 底圖來自 Just Enough Raspberry Pi)

請注意: J14 和 J8 方向不同. J8 (40 Pin 的 GPIO) 是橫放的 (參照上圖), Pin1 在 J8 的左下角, J14 則順時針轉了 90°, 為直放, Pin1 在 J14 的左上角. Pi 3B+, Pi 4B, Pi 5 都一樣喔. 也是因為它 (J14) 只有 4 Pin 所以容易混淆. 所以下圖 (各位可以在網路上 Google 到) 的接腳編號是錯的 (或者說把背景的 Pi 4B 逆時針轉 90°, 讓 Ethernet 接頭母座向右, 這樣圖就都對了).

這張圖左側的接腳編號錯了: 底圖 Pi 4B 轉了 90°
(來源: di-marco.net, circuit digest)

後續的實作

實作的部份可以大致上分成二類,

第一類是自己 DIY 自用的, 也就可以怎麼簡單怎麼來 (有興趣可以參考 A Poor Man’s Raspberry Pi PoE HAT that You can Build on Your Own): 使用 PoE 接口引腳表 (表2) 中的 "10/100, Mode B, 獨立電源引腳" 模式 (即所謂的 midspan 模式, 也就是自製 PoE Injector 和 Spliter). 自己外加 12V DC 電源到 10/100 BaseTx Ethernet 沒有使用的 Pin4-Pin5 (作為 DC+), Pin7-Pin8 (作為 DC−). 接到 Raspberry Pi 後再用 12V 轉 5V 的 DC-DC Converter 產生所需要的 5V DC 電源. 不用說便宜是最大的好處; 缺點是: Ethernet Port 只能跑 10/100 BaseTx, Gigabit 跑不了; 不小心容易把 Pi 給燒了; 還有不合 IEEE 規範, 一些電氣安全上的設計也要自己來...
其實要自己 DIY 一個可以跑 Gigabit 的 PoE HAT 也是辦得到的, 只是成本 (電路板, 零件...) 比較高.
第二類是符合 IEEE PoE 標準的: 這種比較複雜, 除了必要的二組橋式整流器_(註四)以及 DC-DC Convert 晶片之外, 還需要 PoE 的 PD 控制晶片 (用來與供電設備協議/辨識受電裝置支援的協定及用電等級, 再開啟供電開關). 好處是: 符合規範, 用電安全有保障; 要把 Ethernet Switch 的接口和 Raspberry Pi 燒掉比較難; 當然缺點是花錢: Raspberry Pi 的 PoE Hat 要花錢, PoE Switch 也要花錢.

註四: 這個部件可能會很燙, 尤其是當 PD 的電力需求很大時. 雖然規範可以供電高達 90W, 但當 PSE/PD 真的以如此高的瓦數工作時, 你的機房就應該注意散熱了. 你所採買的 PD 也要注意是否設計了足夠的散熱, 還有 PD 的安裝環境也要注意. 就像單台 PC server 不會積蓄太多熱量, 但是一但進級到使用刀鋒伺服器 (blade server) 時, 你就要注意整套刀鋒伺服器所積蓄的熱量了.